（材料学专业论文）基于sbd的dcdc转换器辐射损伤预兆单元研究.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术和航空航天技术的发展，d c d c 转换器广泛应用于航天等辐 射环境中，其在辐射环境下的可靠性保障问题成为人们研究的热点。在电路系统 中加入状态监测模块，实时掌控其工作状态，在辐射失效之前提前预警，能够有 效的提高系统的可靠性。本文探索采用预兆单元的方法提高d c d c 转换器在辐射 环境下的应用可靠性。 肖特基势垒二极管( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ，简称s b d ) 常用于d c d c 转换器 输出端，作为整流二极管。辐射作用会导致s b d 器件性能退化，进而将导致d c d c 转换器失效。本文在s b d 的辐射效应研究的基础上，研究s b d 性能退化对d c d c 转换器整体性能的影响，建立了基于s b d 的d c d c 辐射损伤预测模型。在此模 型基础上研制预兆单元，以期在s b d 性能出现早期异常现象而d c d c 转换器发 生故障之前给出预警信号。设计并完成s b d 和d c d c 转换器辐射实验，实验结 果验证了辐射损伤微观机制和损伤预测模型是正确的，所建立的损伤预测模型能 够反映d c 他c 转换器的辐射损伤情况。 本文根据辐射敏感参数的分析和损伤预测模型，利用监测参数的预兆单元方 法，设计了基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元电路和版图，考虑到预 兆单元所处的辐射环境，对部分预兆单元电路进行了辐射加固设计。模拟结果表 明所设计的预兆单元完全满足设计要求。设计的预兆单元样品在成功制作之后， 样品测试和辐射实验表明所设计的预兆单元能够实现失效预警，具备预期设计的 功能。 关键词：预兆单元d c d c 转换器辐射损伤s b d a b s t r a c t a b s t r a c t d c d cc o n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c er a d i a t i o ne n v i r o n m e n ta st h e d e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n da e r o s p a c et e c h n o l o g y , i t sr e l i a b i l i t y a n ds e c u r i t yi s s u e si nr a d i a t i o ne n v i r o n m e n tb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t b ya d d i n ga c o n d i t i o nm o n i t o r i n gm o d u l ei nt h ee l e c t r i cs y s t e m ，t h er e l i a b i l i t ys t a t eo fd e v i c ec a l lb e m o n i t o r e da tw o r kc o n d i t i o n ，a n dt h e r e f o r ei tc a l lb eu s e dt op r o v i d ea l la d v a n c e w a r n i n g o ff a i l u r e , t op r o v i d ec o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ，a n dt oh e l pi nr i s k r e d u c t i o na n dr e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n t ap r o g n o s t i cc e l li se x p l o r e dt oi m p r o v et h e r e l i a b i l i t yo fd c d cc o n v e r t e ri nr a d i a t i o ne n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o n s b d ( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ) u s u a l l yu s e da so u t p u tr e c t i f i e rd i o d e si nt h ed c d c c o n v e r t e r ，r a d i a t i o ne f f e c t sw i l ll e a dt oad e g r a d a t i o no fs b d d e v i c ep e r f o r m a n c e ，a n d t h u sw i l lr e s u l ti nd c d cc o n v e r t e rf a i l u r e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er a d i a t i o ne f f e c to f s b d ，a n dr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo fd e g r a d a t i o no fs b da c to nd c d cc o n v e r t e r b a s eo ns b d ，t h ed c d cc o n v e r t e rr a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o nm o d e l ，f r o mw h i c h t h ep r o g n o s t i cc e l li sm a n u f a c t u r e d ，i sd e v e l o p e d a n dt h ep r o g n o s t i cc e l li ss u p p o s e d t o 百v ea l le a r l yw a r n i n gs i g n a lb e f o r et h ef a i l u r eo fd c d cc o n v e r t e ro c c u r s ，w h i c hi s c a u s eb ys b d p e r f o r m a n c ea n o m a l i e s t h er a d i a t i o ne x p e r i m e n t so fs b d a n dd c d c c o n v e r t e rh a sb e e nd e s i g n e da n dc o m p l e t e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so fr a d i a t i o nd a m a g em i c r o m e c h a n i s ma n dp r e d i c t i o nm o d e l ，a n dt h e p r e d i c t i o nm o d e lc a l lw e l lr e f l e c tt h er a d i a t i o nd a m a g eo fd c d cc o n v e r t e r a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h er a d i a t i o n - s e n s i t i v ep a r a m e t e r sa n dd a m a g e p r e d i c t i o nm o d e l ，u t i l i z i n gp r o g n o s t i cc e l lm e t h o d ，t h ec i r c u i ta n dl a y o u to fd c d c c o n v e r t e rp r o g n o s t i cc e l lb a s e do ns b df o rr a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o na r ed e s i g n e d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h er a d i a t i o ne n v i r o n m e n to fp r o g n o s t i cc e l la tw o r k ，ap a r to f c i r c u i ti sr a d i a t i o n h a r d e n e dd e s i g n e da tc i r c u i tl e v e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e s i g n e dc e l l ss a t i s f yt h er e q u i r e m e n t s a f t e rt h ep r o g n o s t i cc e l ls a m p l e sa r e s u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e d ，t h es a m p l et e s ta n dr a d i a t i o ne x p e r i m e n t sa r eo p e r a t e d ，a n d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g n o s t i cc e l lc a na c h i e v et h ep r e d i c tf u n c t i o nb e f o r ef a i l u r e ， w h i c hf u l f i l lo u re x p e c t a t i o n k e y w o r d s ：p r o g n o s t i cc e l lr a d i a t i o nd a m a g ed c d cc o n v e r t e rs b d 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：j 垒5 壶蓝： 本人签名： 型州乙i 、 日期霉：! ：2 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期川；乡 嚣 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1d c d c 转换器及s b d 的空间应用可靠性问题 空间辐射环境使电子系统处于极端苛刻的环境中工作。辐射能够加速电子系 统和材料老化，并导致电学性能退化，也可能在电子系统的某些部分产生瞬态现 象。这些损伤可能只发生在个别地方，却导致电路板，子系统，甚至整个系统的 功能丧失。2 0 0 3 年，欧洲粒子物理研究所( c e r n ) 研究表明【l 】，由于辐射引起的 空间电子设备的异常现象已达3 3 。电源是电子设备的核心部分，而电子设备的 故障6 0 来自电源【2 j ，因而对用于卫星的开关电源的研究就显得至关重要。 航天应用中的d c d c 转换器通常用作二次电源，将系统总线电压转换成子系 统所需的电压，为子系统供电，因此，d c d c 转换器的性能关乎整个系统的稳定。 2 0 0 3 年，欧洲航天局在对陀螺仪作辐照实验时，发生了陀螺仪突然停止事故，这 对于空间应用是不能容忍的，进一步调查发现失效单元为2 个d c d c 转换器【3 】。 d c d c 转换器的空间应用可靠性问题已经引起了各国航天局的广泛关注。 肖特基势垒二极管( s c h o t t k y b a r r i e r d i o d e ，简称s b d ) 利用金属和半导体接触 产生势垒而起到单向导电作用，是低功耗、大电流、超高速半导体器件。它以其 低压大电流、低功耗、高速开关等优良特性，被广泛应用于高频整流、开关电源 和保护电路中作为整流和续流元件，尤其适用于高速开关电路和低压大电流输出 电路。该器件具有较高的整流效率和可靠性，可以大幅度降低功耗，提高电路效 率和使用频率，减小电路噪声，成为高频和快速开关的开关电源的关键部件，常 用于小功率d c d c 转换器中的输出整流二极管。由于工作在太空高辐射环境下， 受到来自宇宙射线、太阳等离子气、v a na l l e n 带的各种射线及核辐射的辐射发生 辐射损伤，在肖特基二极管的金属与半导体材料的界面处形成界面态和界面陷阱 电荷，而使器件性能降低甚至失效，进而影响d c d c 转换器的性能。 1 1 2 预兆单元研究的意义 随着航天电子系统规模的增大，对电源系统的可靠性也提出了更高的要求。 s b d 是小功率d c d c 转换器整流输出的核心，也是d c d c 转换器中辐射失效率 较高的器件之一。本文将研究s b d 的工作特性、辐射损伤效应，重点关注s b d 辐 射损伤失效对d c d c 转换器整体性能的影响，旨在应用预兆单元对s b d 性能进 行监控，在其性能出现早期异常而d c d c 转换器发生故障之前给出预警信号，为 2 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 构建d c d c 转换器可靠性预警与健全管理系统奠定基础。 预兆单元系统在保障电子元器件与系统可靠性，降低维修保障费用和提高航 天、航空、武器装备任务完成率等方面具有以下优势： 可以实时掌控电路的工作状况，及时获得电路异常的预报，适应于目前航天、 航空、武器装备采用市售商业成品( c o t s ) 的大趋势，可以有效降低市售电路及 元器件由于辐射损伤而突发致命性故障的风险。 被监测的电子元器件和系统全过程受控，没有死区，大大提高了航天电子系 统设备的安全性。 通过对易损电子元器件和系统的辐射损伤进行实时监控和失效预报，实现基 于状态的维护( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ：c b m ) 。一方面可避免维修过剩，减 少了备件、保障设备、维修人力等资源需求，降低了维修保障费用，节约维修资 金；另一方面避免了维修不足，防止设备“带病”工作，有效减少事故的发生。 此外，对于航天电源系统，在辐射易损电路中加入辐射损伤监控单元，还可 以用作故障诊断工具，将器件级参数漂移和电路级的性能退化有机结合，准确定 位和监控损伤部位，为未来进行易损单元的可靠性提升提供依据。其次，电源系 统的损耗失效一般通过更换备件来防止，即基于可靠性寿命实验计算出产品的固 有寿命，根据产品的固有寿命更换产品，保证系统稳定运行。然而由于环境参数 的多变，产品的实际现场使用寿命可能与预计得到的固有寿命有很大区别。预兆 单元则可以对系统进行现场状态监控，保证了在辐射环境中使用的电源实现基于 状态的维护。第三，预警模块的附带功能是可以比较地面测试结果和太空测试结 果，为进一步的研究提供切实可靠的依据。 1 2 1 研究现状 1 2 预兆单元研究现状 辐射损伤预兆的研究属于可靠性系统工程研究的范畴。可靠性系统工程是二 十世纪九十年代以后发展起来的新兴学科。所谓可靠性系统工程是研究产品全寿 命过程中与故障作斗争的科学体系，涵盖多种工程技术的综合方法，包括可靠性 的统计学建模、损伤累积模型、失效物理模型，先进的传感器技术、信号处理方 法、人工智能技术等，对设备或微电路的性能进行监控、预测和管理。 有关电子系统预兆单元的研究最突出的是美国马里兰大学p h m 研究中心和 r i d g e t o p 研究所。2 0 0 3 年，马里兰大学c a l c m 中心采用寿命损耗监测方法( l c m ) 对机动车辆前盖中的电路设备进行研究，得到的寿命预测结果与热老化实验结果 非常吻合【4 】。r i g t o p 研究小组开发深亚微米集成电路故障预兆单元，做到了在宿主 器件剩余2 0 寿命时失效。近年来，r i d g e t o p 研究所对于电子系统中的易损单元 第一章绪论 3 也已开发出了针对单一或多种失效机理的可靠性预警单元( p r o g n o s t i cb i s tc e l l ) ， 目前已有商业化的产品【5 - 8 】。 依据状态监控时采信的信息源不同，国外研究人员将电子系统的预兆方法分 为三种类型【9 l0 1 。一是寿命损耗检测方法( l c m ) 。l c m 方法采信被观测对象使用 中所承受的环境应力和工作应力信息，基于电子系统的应力损伤模型，得到该系 统实时监控状态、损伤程度，进而估算该系统的剩余寿命。二是失效征兆监控方 法，基于被观测对象使用中表现出来的异常信息即失效征兆进行失效预报。失效征 兆通常是失效前可测的变化。通过建立被测失效征兆信号与随后发生的失效之间 的因果关系，建立推理算法，即可以实现状态监控与预警失效。第三种方法为 c a n a r y 方法，即加速寿命单元方法。设计一个预校准的半导体模块加速寿命 单元，与主器件、电路、系统集成在一起，加速寿命单元与被监控宿主电路由同 一工艺线生产，工作在相同的环境中，与宿主电路经历相同的环境应力，区别仅 在于加速寿命单元采用加速失效设计，失效率高于宿主电路，先于主电路失效而 为宿主电路与系统的失效提供预警，达到牺牲附加组件，保全整个系统的目的。 电子系统性能状态监控与故障预报需要根据系统属性及失效模式选择适当的实现 方法，或综合应用上述三种方法。 根据具体的应用环境和实际情况，本文采用失效征兆监控方法来实现d c d c 转换器状态监控与辐射失效预警，失效征兆的选取、损伤预测模型和监控方法以 及预兆单元的预警是本文研究的主要内容。 1 2 2 技术实现难点 辐射损伤预兆单元的实现及应用主要有以下几个方面的困难。 ( 1 ) 在性能参数监测时，需要考虑所选取的监测参数对失效是否敏感，即可 否表征系统的健康状态。 ( 2 ) 预测结果与实际发生的失效仍存在较大差异，造成这种差异的因素包 括t 实验中用于评估辐射条件下样品损伤程度的模型输入参数信息的准确性、产 品自身质量的分散性以及所考虑失效机理的充分性。此外，已发生的样品失效是 否仅为逻辑错误所引起的软故障也有待进一步确认。因此，损伤预测模型的正确 性和准确度需要得到验证。这一步是最为重要也是最困难的。 ( 3 ) 设计的预兆单元是否能植入主电路且不影响主电路的性能、是否能在经 历相同的总剂量辐射之后自身的功能不发生变化。 ( 4 ) 技术应用的费效问题。电子设备中为了减少风险而引入的预兆单元必须 能够补偿由于该项技术的引入而导致的费用和风险增加，因此要对其进行费效分 析。 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 1 3 论文主要工作和结构 为了实现d c d c 转换器的辐射损伤失效预警，本文在第二章通过研究d c d c 转换器与其输出端肖特基整流二极管的电气传输关系以及肖特基二极管的电离辐 射损伤研究，建立了基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预测模型。第三章通过 辐照实验数据对所建立的损伤预测模型进行了分析，并验证该模型。基于该模型 可以实际预测s b d 以及d c d c 转换器的辐射损伤程度。第四章设计了基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元，并进行了模拟和实验验证，以期实现d c d c 转换器辐射损伤失效的提前预警。 第二章损伤预测模型的建立 第二章损伤预测模型的建立 2 1s b d 整流二极管和d c d c 转换器 现代微处理器和集成电路芯片速度不断提高，对低压大电流输出d c d c 转 换器的要求也越来越高。低压大电流d c d c 转换器需要具备良好的动态响应速 度、稳定性、精度和变换效率，输出级的整流二极管因此也要满足其低压降、大 电流、快速的要求。而肖特基势垒二极管( s c h o t t k y b a r r i e rd i o d e ，简称s b d ) 是典 型的多子器件，反向恢复时间几乎可以忽略，以其低压大电流、低功耗、高速开 关等优良特性，被广泛应用于高频整流、开关电源和保护电路中作为整流和续流 元件，尤其适用于高速开关电路和低压大电流输出电路。s b d 具有较高的整流效 率和可靠性，可以大幅度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减小电路噪声， 成为高频和快速开关的开关电源的关键部件【1 1 】。d c d c 转换器有很多种拓扑结构 类型，不管采用何种拓扑结构，输出整流都是必不可少的。图2 1 为d c d c 转换 器典型的拓扑结构，其中的整流模块中应用最多的就是整流二极管。 l 图2 1d c d c 转换器典型拓扑 反激型d c d c 转换器因结构简单、成本低廉而广泛应用于各种辅助电源和小 功率电源中。下面以单端反激变换器为例来研究输出整流二极管与d c d c 转换器 的关系。 反激式转换器的一个工作周期可以分为两个工作阶段【1 2 】。阶段1 为功率开关 导通阶段。这一阶段的反激式转换器等效电路如图2 3 a 所示。由图2 3 a 阶段1 的 等效电路，可以推得方程 图2 - 2 反激式转换器电路拓扑 负 载 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 v g + v v g 图2 3 a 阶段1 的等效电路图2 3 b 阶段2 的等效电路 v z ( t ) = k ( t ) i c ( z ) = 一掣 名( t ) = f ( f ) + v 忽略电感电流、电容电压和电源电压在一个开关周期中的纹波，则以上各式 可表示为 吃( t ) = 沁( f ) ) n ( 2 1 ) i c ( r ) = 一华 协2 ) 名( f ) = ( 心) ) 办 ( 2 3 ) 式中( 宰) 表示在一个周期内的平均值。 屹( r ) = 一华 钟) = 掣一掣 之( t ) = o 式中咔为二极管正向导通压降。 忽略电感电流、电容电压在一个开关周期中的纹波， 屹( t ) = 一言 ( v ( t ) ) n + 咋 ) = 华一华 乞( f ) = 0 以上各式可表示为 ( 2 4 ) 合并( 2 1 ) ( 2 - 4 ) 式，得到电感电压开关周期的平均值 ( 屹( r ) ) 殆= d ( r ) ( v g ( r ) ) 办+ d ( z ) ( 一华 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章损伤预测模型的建立 7 再由电感特性方程经过开关周期平均算子作用后形式不变性原理 华吨( t ) ) n 旦= ( ，( ) ) n 有 上学= 酬弋( 忖d ( r ) 她竽 ( 2 - 7 ) 合并( 2 2 ) ( 2 5 ) 式，得到电容电流开关周期的平均值： 吲砂刊( - 华h r ) ( 华) 再由电容特性方程经过开关周期平均算子作用后形式不变性原理， c 华= 根据热电子发射理论，热电子发射电流为 i 憾= “t 2e x p ( - q b b k t ) e x p ( - q v f k r ) 其中，a 为有效截面积，彳为有效理查德森常量，彳= 4 石f m * k 2 ，势垒高度的降低 使得这一部分的电流增大。 考虑势垒阻挡作用，能量低于势垒顶的电子有一定几率穿透这个势垒，穿透 的几率与电子能量和势垒厚度有关。由隧道效应形成的反向电流厶= a 以v 抽弓， 矸嗍= 唧一匝h 丝e 一觥 使得隧穿几率增大，进而使得这一部分的反向电流增大。 反向肖特基结构的耗尽层中，存在的复合中心产生的电流，其电流为 i e _ r - a q 二n r i w r 反向电流应为三者之和，即= k + 厶+ 一， 辐射效应使得反向漏电的变化量 为 1 6 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 缱r = 螨+ 醚吼 = 一番k 一华警l 九 嘲 暑一i x 厶币b ， 综合以上的分析，当势垒高度降低时，即九为负值时，反向漏电流增大，即q 为正值。 ( 4 ) 结电容 对于功率二极管，反向恢复特性是很重要的动态特性。由于肖特基功率二极 管不存在少子注入，那么耗尽层电容决定了反向恢复行为。当肖特基功率二极管 反向偏置电压为v r ，耗尽层宽带就为 那么耗尽层电容就可表示为 w d2 由上式可以看出，c d 是v r 和势垒高度的函数，而不受电流的影响。界面层电容 c f = e o c a l 8 ，结电容c = c + q 。结电容受辐射效应的影响主要是耗尽层电容 的变化，结电容受辐射效应的影响的变化量为 o q = 一吾半( + 九) 九 ( 2 - 2 7 ) 当势垒高度降低时，即九为负值时，将会导致结电容的增大。 ( 5 ) 功耗 对于d c - - d c 器件中的s b d ，其导通功耗为 昂= d ( v f i p ) + ( 1 - d ) ( v j , ) 其中d 为占空比。可以看出，正向压降和反向漏电流的增加都会导致s b d 导通功 耗的增加，从而降低d c d c 转换器的效率。 由于肖特基二极管为多子器件，理论上可以忽略其反向恢复效应及其带来的开 关损耗，其结构图如图2 7 所示。但是，金半结电容在二极管的开和关时对器件 性能产生很大的影响【3 1 。 第二章损伤预测模型的建立 1 7 r 叠一+ +刖 + - + - 下 。姗月 瞄时 6 岛豫1 4 c l 图2 7 一般肖特基功率二极管的结构 置五 缶 + 白 y 一 ( 由 啊 图2 8 肖特基二极管关态和开态的等效电路 结电容c j 的充放电时间和串联电阻月决定了器件的开态和关态的时间。 关态的等效电路如图2 8 a 所示，主要的波形和二极管的开关变化波形如图2 - 9 所示，关态转换时二极管上的电压由正向的咋变化到反向的喙。 与时间相关的二极管电流为如= 厶e 叫什，其中f = q 尺，糸是反向饱和电流。 由电路分析，通过二极管的电压降可以表示为 = 咯+ ( 一) ( 1 一p 叫厅) 电压由斥下降到垛，下降时间由f 决定。 图2 - 9 二极管的开关变化波形 孑 一一 删个擞 1 8 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 则在关态由电源转到二极管的平均功率为 昂= 亭胁虎= t l 。0 一x e 价哲2 小p = 螋t r 石c 啄 ( 2 2 8 ) 。“ ( ) 其中i s = i t 为开关频率，且i i ，那么电阻r 在充电过程中的关态功耗就为 一谚= 三石c 瑶( 2 - 2 9 ) 另外一半的能量储存在电容c j 中，其能量为 暇= 三c 瑶 ( 2 - 3 。) 在开态转换时，结电容c j 通过电阻r 充电，二极管电压从昧增大到咋。等效电路 如图2 8 b 。 通过二极管的电流为 二极管电压为 如= i r ( 1 - e 一打) ( 2 3 1 ) = + ( - z f ) e 一行 ( 2 _ 3 2 ) 那么在开态转换中的平均功率损耗就为 弓= l i ：p z ，d t = 专f ( e - t i t - e - 2 t r ) d r ( 2 - 3 3 ) = 石0 ( 一珞) 关态时储存的能量将会在开态时释放，那么开态转换时的功率损耗就为 嘲= 三五g 瑶 ( 2 - 3 4 ) 那么开关过程中总的功耗就为 厶石c 啄 ( 2 3 5 ) 显然开关损耗和开关频率以及c j 成线性关系。 2 3辐射失效机理分析 寸田刁) 从1 7l j 三j ，l 川 2 3 1d c d c 转换器的辐射效应 d c d c 转换器内部包含了功率m o s f e t 、p w m 集成控制芯片、肖特基二极 第二章损伤预测模型的建立 1 9 管、光电耦合器等诸多辐射易损单元。各易损单元对不同的辐射粒子和射线分别 表现出不同的敏感度，因此d c d c 转换器的空间辐射效应表现出复杂而多样的特 点。 大量的模拟辐照实验表明，d c d c 转换器辐射失效模式主要有输出电压漂移、 转换效率下降、输出纹波增大、线性调整率和负载调整率增大等3 2 3 3 1 。此外，在 高能重离子辐射下还会发生突发性故障，功能完全丧失 3 4 , 3 5 】。 d c d c 转换器的辐射效应主要包括： ( 1 ) 总剂量效应 电子器件暴露在辐射环境中，各种粒子和射线对器件的损伤会随着累积剂量 的不断增大而累积，使器件的参量逐渐退化，这就是总剂量效应，也称为累积剂 量效应。d c d c 变换器中的m o s 器件尤其对总剂量效应敏感，表现为阈值电压 漂移、跨导退化、漏电流增加、开启电阻增大等，这些参量的退化使d c d c 变换 器的输出电压纹波增大，效率降低。其它易损单元的总剂量辐射效应，如光电耦 合器的电流传输比c t r 逐渐减小和p w m 控制器的参量退化都会直接或间接影响 d c d c 变换器的输出特性，使其参量漂移或退化。 ( 2 ) 单粒子效应 单粒子效应是一种特殊的电离效应。当宇宙高能粒子作用在器件上，会将自 身的能量传递给晶格原子，使原子电离，产生电子一空穴对。这些电子一空穴对在电 场力的作用下，空穴沿电场方向移动，而电子朝正电极方向运动，于是在外部电 路中形成了一个电流脉冲。这个脉冲在电路中形成额外的电流激励，会使一些逻 辑器件发生逻辑错误，如存储器发生翻转，当电流较大时，可能烧毁器件。d c d c 变换器中的p w m 控制芯片尤其易受单粒子效应的影响，导致d c d c 变换器的输 出不稳定甚至突发性故障。 ( 3 ) 低剂量率效应 国外最近几年的研究表明，在一些低剂量率辐射环境下工作的线性集成电路， 总剂量失效水平极低，卫星、空间飞行器等正是长期处于这种低剂量率辐射环境 下工作。已有模拟试验表明，d c d c 变换器在低剂量率辐射的损伤阈值小于 1 0 k r a d s ( s i ) ，且与高剂量率辐射表现出不同的损伤模式。有资料指出低剂量率增强 效应与退火效益有关，高剂量率辐射时间短，电离辐射主要产生空间正电荷，经 退火后才能产生界面态，低剂量率辐射时间长，有足够的时间形成界面态，所以 高剂量率辐射与低剂量率辐射表现出不同的结果。 2 3 2 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤分析 肖特基二极管是小功率d c d c 转换器输出整流的重要部分，s b d 器件低导 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 通压降的特性非常适合用于低压输出的d c d c 转换器，能有效地降低自身的功 耗，并且由于s b d 为多子器件，没有少子存储效应，因此也满足高频快速的要求。 工作在辐射环境中的s b d 器件，其辐射失效模式主要有两种，一是随辐射总 剂量的增大，s b d 器件性能参数的退化，这是s b d 器件最常见也是最主要的失效 模式；二是辐射导致的突发性灾难故障，s b d 金半结的单向导通性能丧失，不能 完成整流功能。 s b d 一般采用金属半导体接触来形成肖特基势垒，尽管国内外均采用了一定 的工艺和技术，减小金属与半导体接触时接触界面之间界面层的影响。但是，s b d 器件在辐射环境下，金半界面之间界面层的存在对接触电阻和表面态密度的影响 更加明显，随着t i d 的增加，辐射引起器件发生电离效应产生的界面态和界面层 电荷也加速了界面态对接触电阻和表面态密度的影响。由于辐射效应引起的界面 层中弱键和悬挂键的产生和断裂，调制界面态密度，影响器件性能。 在方程( 2 1 0 ) 中引入器件辐射敏感参数反向漏电流矗，得到修正后的直流 稳态工作点方程组和交流小信号方程组。 直流稳态工作点方程组为 0 ：d 圪一d , v + v r ( 2 3 6 ) 6 聆 o ：d i 一一v d l r nr i g = d i 交流小信号方程组为 掣= 。确圳华+ ( 名+ 半) 雨 c 盟：型一盟一型一d ( 2 - 3 7 ) d t投r提 名( t ) = d i ( t ) + i d ( t ) 由直流稳态工作点方程有，输出电压矿= d 。n v 譬一咋，电感平均电流 ，：殴d 喊一 由输出电压表达式可以看出，当输出二极管的正向压降斥增大，在开环状态 下会导致d c d c 转换器输出电压的降低；而对于正常工作时的d c d c 转换器闭 第二章损伤预测模型的建立 2 l 环系统，当输出二极管的正向压降咋增大时，为了使输出电压恒定，反馈回路将 会调制占空比，使得占空比增大进而稳定输出电压。占空比的增加又会导致电感 平均电流和d c d c 转换器输入电流的增大。由电感平均电流表达式可以得到，反 向漏电流打的增大，使得电感平均电流，增大，电感直流稳态点上升。此外，s b d 自身的功耗也是不可忽略的，尤其是在高频工作条件下。d c d c 转换器的功率损 耗主要来自开关器件，包括功率开关管、整流二极管和变压器电感线圈，有研究 表明整流二极管的功耗占d c d c 转换器功耗的3 0 左右。 综上所述，由于辐射造成s b d 器件的参数漂移，对d c d c 转换器的性能产 生影响，具体表现在辐射使s b d 正向导通压降增大，反向漏电流增大，导致d c d c 转换器的占空比增大，电感平均电流和输入电流增大，同时导通压降和反向漏电 流的增大又使得s b d 自身的功耗增大，最终导致d c d c 转换器效率降低。 2 4 11 f 噪声基础 2 4s b d 辐射损伤与1 f 噪声 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机制的不同来分类的【3 6 1 ，可分为热噪 声，散粒噪声，g r 噪声和1 f 噪声四大类，如图2 1 0 所示。 半导体器件噪声 白噪声 三二二声 低频噪声 ( 有色噪声) g - r 噪声 约翰逊噪声 扩散噪声 低频散粒噪声 高频散粒噪声 一。 i 基本1 f 噪声 l f 噪声j 一。 l 非基本1 f 噪声 图2 1 0 半导体器件中噪声的分类 一般的频率范围内，热噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为白 噪声。其中，l f 噪声与频率成反比，而g r 噪声则按1 ( 1 + f g ) 规律变化( 其 中石为转折频率) ，称为有色噪声，但有时也统称为低频噪声。 厂1 r弋l 淹 玲 噪 噪 合 发 复 猝 rj1l 2 2 基于s b d 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之 中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存在； 散粒噪声、g r 噪声和l f 噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或电压 消失，这些噪声也就不复存在。 散粒噪声起源于载流子跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪声。 热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底消除的， 而g r 噪声和1 f 噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷引起的。从这个意义上 讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 电子器件的噪声通常由白噪声，1 f 噪声和g - r 噪声三种分量构成。其功率谱 密度可写成为 s 扩) = a + b f r + c l o + 驴s o ) 口j ( 2 3 8 ) 共有六个表征参数，即白噪声的幅度彳，1 f 噪声的幅度b 和频率指数因子y ， g r 噪声的幅度c ，转折频率而和指数因子口。不同的噪声分量以及各个分量的 不同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。 因此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数 的值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为1 f 噪声。 电子器件中1 f 噪声电压的功率谱密度可以写成以下形式 s ，( 厂) = a 卢f 7 ( 2 - 3 9 ) 式中，为通过器件的电流；f 为频率；参数a 由器件结构特性决定；常数，= o 8 1 2 ，典型值为1 0 ；夕一2 0 ( 均匀材料) 或1 0 2 0 ( 结构较复杂的器件) 。 2 4 2肖特基二极管的1 f 噪声 s b d 的1 f 噪声模型最早由h s u 提出【了7 1 ，他的理论模型基于和空间电荷区陷 阱有关的多级隧穿过程。在实际的器件中存在间接隧穿电流，虽然这部分电流和 热电子发射电流相比可以忽略，但是由多级隧穿过程产生的低频1 f 噪声却是很大 的。多级隧穿电流使得电子占据陷阱态产生波动，使得陷阱电荷密度发生变化， 金半界面场强因此发生变化引起电流涨落，产生1 f 噪声。该模型得到的1 f 噪声 的电流指数为2 ，噪声幅值和陷阱密度成正比。该模型被后来的k l e i n p e n n i n g 所驳 斥，他认为要得到上述模型中的1 f 噪声，空间电荷区的陷阱密度和能量分布在实 际器件中是不可能的，模型推出的缺陷密度过大。 第二章损伤预测模型的建立 之后，l u o 等人在k l e i n p e n n i n g 的基础上提出了基于热电子发射理论的空间 电荷区载流子迁移率涨落的1 f 噪声模型3 8 1 。在研究s b d 噪声特性时，可以将器 件分为几个部分：中性半导体体区，空间电荷区和金半界面。空间电荷区的电荷 输运机制为漂移一扩散机制，当电流通过金半界面时，电流输运机制主要为热电 子发射。界面处的热电子发射并不产生任何低频1 f 噪声，只是一种限流机制，影 响最终输出噪声的幅值。该模型的低频1 f 噪声来源是空间电荷区的迁移率和扩散 率的涨落。最后得到的1 f 噪声的电流指数为1 ，且与掺杂浓度有关。 以上噪声理论都没有考虑界面态的影响，尽管在热激活模型中电子占据界面 态的随机涨落产生的是g r 噪声而非1 f 噪声，但是界面处的电子随机行走( r a n d o m w a l ko fe l e c t r o n s ) 会产生1 f 噪声 4 0 - 4 3 】。j i l e e 等人提出了s b d 界面电子随机行 走的1 f 噪声模型【3 9 1 。得到的噪声的电流指数为2 ，噪声幅值与界面态密度密切相 关，其表达式为， s ( 班7 g 忡( q l r 羔 ( 2 4 0 ) 式中= 吾，常数g 等 o 1 0 f r o q u e n c y ，f ( ) 冒 工 蓝 = 哆 誊 罂 罢 一 墨 星 f o r w a r do a r m n t i 删 图2 1 2s b d 典型的噪声功率谱图2 1 3 噪声功率谱密度值与电流的关系 堋叫的关系形式在决定1 垛声机制时非常重要。低频噪声的电流二次方关 系是由禁带中连续分布的陷阱俘获电子产生的，或由通过这些陷阱的多级隧穿过 程产生的。但是，对于另外一种普遍的机制，即耗尽区载流子迁移率涨落模型， 得到的电流关系是线性的。在高电流范围( 1 0 0 - - 9 2 0 l aa ) ，研与，成正比；在相 应的低电流区，s o 与减正比。那么对于宽电流范围，可以分为两部分：低电流 区的线性区以及高电流区的平方关系斟4 3 】，如